仪器仪表学报杂志

仪器仪表学报杂志2021年第12期

• 基于激光对刀仪的高精度在位测量及补偿方法

  陶宇轩，刘秀峰，曹海印

  球型砂轮在位修整前后的直径变化将导致理想与实际的磨削轨迹之间出现位置偏差,造成加工误差,因此在超精密磨削加工前获取该变化信息是十分有必要的。针对于此,提出了一种球型砂轮在位测量方案,包括搭建基于激光对刀仪的在位测量系统以及设计在位测量步骤,并针对该方案存在的系统误差进行分析,抽象出了激光对刀仪安装误差模型,结合齐次坐标变换推导了误差公式,借助最小二乘法求解安装误差,从而实现了对测量数据的补偿与对球型砂轮的高精度在位测量。最后以12.5mm半径的标准球做标定,计算出误差角度值用作补偿,再分别测量12.5mm与3mm标准球作为验证。实验表明该方案可将测量精度从4μm提高到1.2μm。

• 转台定位误差谐波函数计算方法研究

  舒 溢，朱维斌，黄 垚，薛 梓

  为了保障转台定位误差谐波补偿准确性,针对一种谐波误差函数计算方法开展研究。首先分析了转台定位误差谐波补偿方法,阐述了基于坐标旋转数字计算方法(CORDIC)的谐波误差函数计算原理可行性;针对算法原理误差进行分析,分别建立了与迭代次数n、数据位宽b的量化模型,明确了算法在谐波补偿值计算过程的总量化误差;根据计算精度要求对n和b取值进行设计,在现场可编程门阵列(FPGA)中实现谐波误差函数计算并进行实时误差补偿。以谐波误差函数理论值为参考,仿真证明了计算方法的有效性;以自制电路板为实验平台,证明了计算方法的总量化误差模型正确性;搭建转台测试平台验证定位误差补偿效果,实验结果证明采用本文提出的谐波误差函数计算方法进行补偿,使转台定位精度由29.0"提高至5.3"。

• 采用自适应可靠因子的联合双边散斑条纹滤波方法

  王会峰，何柱材，李云梦，黄 鹤，高 荣

  在基于电子散斑干涉法的测量系统中,干涉条纹常常会存在大量噪声从而影响后续相位的提取。为解决双边滤波无法处理大噪声的问题,提出了一种融合加窗傅里叶滤波的联合双边滤波方法并用于处理存在高噪声的电子散斑干涉条纹。在该方法中,引入加窗傅里叶初步滤波后的图像作为联合双边滤波的导向图,并构建更可靠的自适应像素值相似度因子,从而提供更可靠的引导信息和更好的滤波效果。该方法被应用到高、中、低、可变密度4种不同密度的模拟条纹和实验采集到的大噪声条纹上,并将其与原始双边滤波和加窗傅里叶滤波相对比。实验结果表明:与其它滤波方法相比,该方法得到的条纹最光滑,结构最完整。对本文模拟的条纹滤波后峰值信噪比提高1.0~4.2dB,结构相似度和边缘保持指数最高,相位的均方误差最小。所提出的方法调整更方便,对330×330大小的模拟条纹处理时间仅为4s左右。

• 三偏心蝶阀密封面在位测量的点云数据处理方法

  彭 娉，陈时健，任利杰，于新海，陈尚书，李 锦

  三偏心蝶阀依靠蝶板和阀座密封面的充分面接触实现零泄漏的密封效果,而密封面的加工制造精度对密封性能有着至关重要的作用。现有的密封面测量主要依赖离线测量的方式,存在着测量基准不统一、二次装夹造成的测量误差等问题。本文提出了密封面精密在位测量技术以及原始点云数据处理方法。针对被测密封面,提出波谷-聚类算法和考虑约束条件的法矢-曲面拟合算法,得出密封面的关键参数和加工误差。该算法较最小二乘法等算法在相对求解精度上提高了60%以上。现场在位测量的三偏心蝶阀密封面锥角与三坐标仪测量结果的相对误差仅为0.43%,满足测量相对误差±0.5%的要求,密封面在位测量技术的测量精度得到了有效验证,为今后高端阀门的精密测量提供了可靠的技术手段。

• 齿轮三维测量中线激光传感器位姿标定方法

  石照耀，孙衍强

  在齿轮三维测量中,传感器位姿标定的结果直接影响测量结果的准确性。本文提出了一种基于特征标准件的线激光传感器位姿标定方法,并设计了一款具有一定几何特征的标准件。该方法解耦了传感器与仪器之间的位姿关系,通过运动过程中传感器与标准件的几何关系计算传感器的三个姿态角并调整至标定零位,然后通过多次偏置求等区域均值的方法依次计算传感器3个位置量的偏置距离。在齿轮测量中心上进行验证实验,多次标定后被测齿轮的齿廓偏差动态测量重复性为3.94μm,评价标准差小于0.3μm,且评价结果与传统接触式测量结果的趋势一致。结果表明,基于特征标准件的线激光传感器位姿标定方法使得齿轮三维测量具有较好的测量重复性与准确性。

• 虚拟观测法在球杆仪估算机床平动轴 几何误差中的应用

  黄 华，侯宏天，李旭东

  在利用球杆仪辨识数控机床平动轴的几何误差过程中,由于建立的辨识模型中任意位置的参数矢量矩阵为病态矩阵,致使在求解辨识模型时存在不精确解或者无解的现象。针对上述问题,提出了一种基于虚拟观测法的岭估计求解辨识模型解的方法。以机床的平动轴为研究对象,基于球杆仪测量的杆长数据,将其代入所建立的误差元素与球杆仪杆长变化量之间的映射关系,并基于虚拟观测法求解出几何误差项的多项式系数。该方法从病态矩阵的病因来改善辨识矩阵的病态性,进而实现对各轴相关误差元素的辨识。仿真以及实验结果验证了辨识方法的正确性,并改善了辨识矩阵的病态性,研究结果为准确辨识机床几何误差提供了理论依据。

• 变截面 FeGa 膜 / AT 切石英晶片复合谐振磁场传感器

  鲍祥祥，文玉梅，陈冬雨，李 平，王 遥

  提出用变截面FeGa磁致伸缩膜与AT切石英晶片双面复合的磁场传感结构,变截面形状降低了磁膜汇聚区域的退磁因子,进而将磁致伸缩应变汇聚到晶片的电极区域。同时双面复合结构避免了晶片中沿厚度方向的应变方向发生改变,两者结合提高了谐振传感器的磁场灵敏度。推导的灵敏度公式表明,灵敏度与复合结构确定的应变传递系数、磁膜材料的压磁系数以及磁膜厚度均成正比,与晶片厚度的平方成反比。在厚度为200μm的AT切石英晶片表面双面沉积1μm厚的变截面FeGa膜制备传感器样品,测试结果表明:传感器Q值为5489,线性区间的灵敏度达到-0.82Hz/Oe,据此,当晶片厚度降低至7.5μm时,传感器灵敏度将达到-583Hz/Oe,并且可通过采用更高压磁系数的材料进一步提高。

• 分布式光纤测温系统分辨率影响因素研究

  王泽润，叶志浩，夏益辉，杨 超

  应用分布式光纤测温系统对船舶电力系统进行在线监测时,由于船舶电缆的特殊运行环境,对测温系统的空间分辨率和温度分辨率提出了更高的要求,而在基于拉曼散射双路解调的分布式光纤测温系统中,系统的空间分辨率、温度分辨率、时间分辨率和测温距离相互制约。为设计满足船舶电力系统在线监测需求的测温系统,分析了系统空间分辨率的影响因素,并在此基础上建立了基于光时域反射技术的分布式光纤测温系统的等效模型,分析了不同影响因素之间的主次关系;基于拉曼散射光强度公式推导出了准确性更高的系统温度分辨率影响模型;在此基础上得到了空间分辨率、温度分辨率、时间分辨率和测温距离之间的相互影响公式,为分布式光纤测温系统的性能指标设计提供了参考,在测温距离较短时,通过进一步增大累加次数和减小泵浦光脉宽,可在保证空间分辨率和时间分辨率的条件下提高空间分辨率。搭建实验平台对所提出的方法进行验证,通过调节累加次数和脉冲宽度在500m的测温距离达到了温度分辨率0.65℃、空间分辨率1m、时间分辨率1s的分辨率指标。

• 基于转动支承梁式的光纤光栅低频加速度传感器

  李剑芝，申博豪，张婉洁，孙宝臣

  为了实现低频振动的高灵敏度测量,设计了一种基于转动支撑梁的新型光纤布拉格光栅加速度计。通过分析其振动模型和MATLAB数值计算,优化了传感器的结构参数,设计传感器理论灵敏度为1725pm/g,固有频率为68.4Hz。同时通过COMSOL模拟分析传感器的动态特性,其模拟结果与理论分析吻合。频响特性和幅值特性实验结果表明光纤光栅加速度计在加速度0~2g、工作频率0.5~20Hz的范围内,传感器加速度特性曲线呈现良好线性关系,灵敏度高达1495.2pm/g,重复性良好。该传感器结构简单紧凑,轴承结构有效减少悬臂梁振动过程中的弹性能耗,可显著提高其灵敏度,能够实现低频振动信号的探测。

• 基于 FBG 柔性传感器的形状重构

  王 彦，金 萍，赵 慧，葛子阳，蒋 超

  基于PDMS材料封装的光纤光栅(FBG)柔性传感器检测物体形状,研究了传感器个数与布局对不同形状物体重构精度的影响。使用COMSOL仿真软件验证了算法的准确性,制备了4个FBG柔性传感器并对其进行曲率标定,将传感器分布在铝合金板上,均等分布3和4个FBG柔性传感器重构的最小相对误差分别为-6.12%和0.48%,实验结果表明,使用4个传感器的重构效果较好。因此,在7组不同布局选择4个传感器,铝合金板一端分别施加4种不同重量的砝码,间隔为260、100、90mm和150、150、150mm的布局方式相对误差小重构效果好,且在第7组的相对误差都是最小,分别为6.22%、-1.01%、-2.52%和-3.22%。本文制备的FBG柔性传感器为软机器人形状重构领域提供了应用基础。

• 无线传感器网络中延迟补偿的分布式时钟同步算法

  方子涵，李 旦，蒋 鹏，刘彤宇，陆起涌

  时钟同步为无线传感器网络中的节点处理分布式任务提供了一个共同的时间参考,无线传感器网络需要精确的时钟同步来保持数据的一致性和协调性,但是同步过程中的不确定性延迟会严重干扰同步参数的计算。为了消除消息延迟的不确定性对时钟同步的影响,本文考虑高斯分布的消息延迟,建立了新的时钟同步模型,并基于卡尔曼滤波和分布式时钟同步算法,提出了一种能够有效处理延迟影响的时钟同步算法,该算法使用广播的单向通信方式,所有参数可以在接收端独立更新,另外考虑了以计算的全局时间为参考更新偏差来提升同步精度。使用5个节点进行MATLAB仿真实验和nRF52832硬件验证,在微秒级延迟下,本算法的同步精度可以维持在10μs,相较于其他算法,本算法维持了很好的同步精度和稳定性。

• 基于机器学习的头部自由视线追踪方法 及其在电动病床端的应用

  胡佳辉，陆永华，张进海，杨昊铮，刘 韬

  头部自由的三维视线追踪具有重要的意义。针对传统的视线追踪方法存在的精度低、设备复杂和穿戴受限等问题,提出了一种基于机器学习的单目头部自由的三维视线追踪技术,构建出了两个轻量、高精度、实时的视线追踪模型,分别可进行注视点估计和注视方向估计。注视点估计模型首先利用Dlib进行人脸特征点定位得到眼睛图像进而进行PnP解算得到头部姿态信息,将两种信息与部分特征点坐标共同输入到多通道卷积神经网络中,并最终估计得到人眼注视点。注视方向估计网络是注视点估计网络的简化版本。将本文所提出的视线追踪技术与电动病床相结合,构建出一套基于眼球驱动的电动病床系统,该系统允许患者利用眼睛控制电动病床的运作。实验结果表明:所提出的注视点模型在MPIIGaze数据集上的误差为4.1cm,注视方向估计网络在ColumbiaGaze数据集上的误差为7.2°,两模型的精度分别比iTracker和UlinFT提高了6.8%和2.7%。所构建的眼球驱动电动病床系统有效地提高了患者的生活水平,满足了患者的诸多需求。

• 基于足底压力的不规范深蹲姿势识别

  周丙涛，向 勉，汪 涛，陈世强，金 浩

  深蹲被称为力量训练之王,但不正确的姿势会对人体产生不可逆转的伤害。提出了一种利用足底压力来检测常见不正确的蹲姿的方法。使用带8个压力传感器的鞋垫收集了1组正确蹲姿和4组常见错误蹲姿的数据,提出了对这些连续蹲姿数据进行分割的算法,并对压力云图进行了分析。然后设计了3组深度神经网络作为分类器,分别是引入注意力机制的长短期记忆网络(att-LSTM)、长短期记忆网络(LSTM)和卷积神经网络(CNN)。实验结果表明,3组模型的测试准确率分别为90.2%、83.0%和79.8%。结果表明,采用引入注意力机制的LSTM作为分类算法是一种有效的蹲姿检测方法。

• 新型连杆式 AAS 压力感知模块的设计与实验研究

  王立超，颜国正，华芳芳，吴 潼

  人工肛门括约肌(AAS)植入体内后长期处于生物组织液环境下,设计稳定可靠的压力感知模块对重建便意与确保血供安全性有着至关重要的作用。基于人体直肠压力生理参数采集特点,首先通过有限元分析设计选取了传感器的材料、尺寸等参数,设计了假体臂的传感器安装开槽结构与压力模块电路走线槽;通过对多种系列防护胶进行防潮湿性能实验,研究了新型传感器的封装工艺及安装方式,并对系统电路模块设计了新型封装形式,提高了整体系统的防水性能。实验结果显示该新型传感器在20天水下环境中应变片阻值变化在1‰以内,传感器线性度较高,输出工作电压范围合适;AAS系统水下实验后传感器电压初值平均浮动率仅为4.1%,初步验证了本文设计的新型压力传感器在体内环境下的良好适用性与应用可行性。

• 基于苦味受体表达的多组织细胞传感器及其应用

  秦春莲，袁群琛，庄柳静，李 蓉，王 平

  非口腔组织中的苦味受体(TAS2Rs)可能成为相关疾病治疗的新靶点。该研究将表达有TAS2Rs的细胞作为敏感元件,根据其生理特性与不同的传感器耦合,探究了味觉受体异位表达及其在个性化药物筛选中的应用,构建了针对不同疾病模型的个性化药物筛选平台。首先,基于细胞阻抗传感器以及内源性表达TAS2R38受体的结肠癌细胞,开发了异硫氰酸酯类物质特异性药物筛选平台,求得苯硫脲的EC50为157.6μM;其次,结合微电极阵列检测系统,探究了TAS2Rs激动剂地芬尼多(5~160μM)和水杨苷(0.001~100μM)对心肌细胞收缩的抑制作用;此外,基于3D呼吸道平滑肌细胞(ASMCs)阵列,结合凝胶成像系统,探究了TAS2Rs激动剂桔皮素(20μM)对呼吸道平滑肌细胞的舒张作用。

• 基于强化学习的机器人手臂仿人运动规划方法

  杨傲雷，陈燕玲，徐昱琳

  面向人-机器人交互共融环境对机械臂仿人运动规划的重大需求,本文提出了一种基于强化学习的机器人手臂仿人运动规划方法。首先,基于人体手臂的结构特征,设计了体现机械臂运动特性的肩夹角、肘夹角和腕关节运动角,并采用正态性和相关性分析方法,对VICON运动捕捉系统获取的人体手臂运动数据进行分析,以获取人臂运动特性规则。然后,根据不同的运动特性规则,设计对应的回报函数,并采用强化学习方法进行机械臂仿人运动模型的训练。最后,搭建机械臂仿人运动平台,实验统计仿人运动的成功率为91.25%,验证了所提规划方法的可行性和有效性,可用于提高机械臂运动的仿人性。

• 考虑质量扩散的瘤内磁流体分布对磁热疗影响研究

  汤云东，苏 航，弗莱施 C. C. 鲁道夫，何明华

  通过比较磁纳米颗粒在体内的理想均匀分布和真实实验分布,研究了不同纳米流体分布对治疗温度的影响,其中真实分布来源于实验结果经本文所提出方法处理后的图像分布。同时,还进一步研究了纳米流体扩散行为对浓度分布的影响,以及研究了温度依赖性的血液灌注率和传统定值灌注率对治疗温度分布影响的差异。本研究基于热等效应剂量的角度,通过43℃下的累积等效分钟数来评估磁流体热疗的治疗效果,该方法与治疗温度分布直接相关。模拟结果表明,在考虑单个磁性纳米颗粒临界功率耗散的情况下,纳米流体扩散对肿瘤区域内纳米流体分布的均匀度具有积极的影响,而对最终治疗温度的影响则较小。

• 基于改进 MEDA 算法的脑电情绪识别

  何 群，李冉冉，付子豪，江国乾，谢 平

  针对普通机器学习算法与迁移学习在应用方面的局限性,利用改进流形嵌入分布对齐算法(MEDA)算法解决跨被试情绪识别中准确率低的问题。其中MEDA通过流行特征变换来减小域之间的数据漂移,并能够自适应定量估计边缘分布和条件分布的权重大小。针对特征维度大且有可能存在不良特征的问题,提出改进MEDA算法,即引入改进最小冗余最大相关算法用于特征选择,并对多源域下的多组识别结果进行决策级融合,进一步提升迁移学习效果。在SEED数据集和实测数据对该算法验证,改进MEDA算法相比于支持向量机、迁移成分分析和联合分布适配算法,整体识别精度分别提升了8.97%、4.00%、2.89%,改进的MEDA算法相比于改进前,每个被试识别准确率均有提升的同时整体识别提升3.36%,验证了该方法的有效性。

• 基于多注意力 Faster RCNN 的噪声干扰下 印刷电路板缺陷检测

  陈仁祥，詹 赞，胡小林，徐向阳，蔡东吟

  针对工业环境中噪声干扰导致的印刷电路板缺陷检测困难的问题,提出基于多注意力FasterRCNN的印刷电路板缺陷检测方法,分别于特征提取以及特征融合部分引入注意力机制以获得具有抗干扰能力的特征表示,提升检测效果。首先使用分离注意力网络提取缺陷特征,使网络自动关注到缺陷特征,以降低噪声干扰的影响;其次,使用平衡特征金字塔融合不同分辨率特征,利用非局部注意力机制对融合特征进行全局感受野内不同区域特征的加权,增强其缺陷表征能力并进一步抑制噪声干扰;最后,依据所获得的特征表示,利用区域建议网络生成缺陷候选框并利用全连接层对其进行位置以及类别的确定以得到检测结果。在不同程度噪声干扰下的印刷电路板缺陷数据集上进行实验验证,平均检测精度达到92.4%,证明了所提方法的有效性和可行性。

• 双边特征聚合与注意力机制点云语义分割

  王溪波，曹士彭，赵怀慈，刘鹏飞，邰炳昌

  机器视觉是环境感知的重要手段之一,是自动驾驶、机器人、工业检测等领域的研究热点,而点云数据的精细分析是其中的一项关键技术。针对大尺度真实场景点云数据分割精度低的问题,提出了一种适用于点云数据语义分割的网络结构。首先,构建了一个双边特征聚合结构,通过分别处理点云的几何信息和语义信息,达到充分利用点云特征信息的目的。其次,使用近邻特征的高维空间相关性计算点与点之间的相互作用,进行局部邻域的上下文信息增强。提出了一种混合池化结构代替最大值池化,减少信息损失,使用横向跨层池化连接来增强特征多样性。最后,引入注意力机制提取全局特征,滤除尺度噪声,增强特征在空间上的表现力。实验结果表明,该方法在大尺度真实场景点云数据集S3DIS上的平均交并比为68.2%,平均准确率为80.7%,比PointNet提高了20.6%和14.5%,客观指标优于已有的代表性方法。

• 基于线激光扫描的基准孔检测与定位方法

  罗 哉，赵洪楠，江文松，杨 力，周根民

  为了满足尖端制造领域中大部件的数字化钻孔与装配需求,利用线激光扫描仪和工业机械臂提出了基准孔自动检测与定位系统及方法。首先,对基准孔三维点云进行孔底点云插值补偿,采用双向梯度约束算法实现了基准孔的粗略边缘特征点提取;然后,针对提取的边缘特征点,采用基于角度判断的细化算法和基于平面拟合的压缩算法,实现了边缘特征点的精细化提取;最后,对边缘特征点进行空间圆参数化,得到了孔径和孔距,实现了基准孔的检测与定位。实验结果表明:该方法对基准孔的检测精度和定位精度(相对误差)分别为1.77%和0.24%,优于传统方法的2.77%和0.46%,能够满足生产制造中大部件的数字化钻孔与装配要求。

• 基于 Stereo RCNN 的锚引导 3D 目标检测算法

  曹杰程，陶重犇

  针对当前基于锚的双目3D目标检测算法存在的锚点数量选取较多,从而影响在线计算速度的问题,提出了一种基于StereoRCNN的锚引导3D目标检测算法FGASRCNN。在第1阶段中,输入左右图像分别生成相应的概率图以生成稀疏锚点及稀疏锚框,再通过将左右锚作为一个整体生成2D预选框。第2阶段的关键点生成网络利用稀疏锚点信息生成关键点热图,并结合立体回归器融合生成3D预选框。针对原始图像在卷积后会出现像素级信息丢失的问题,通过MaskBranch生成的实例分割掩模结合实例级视差估计进行像素级优化。实验表明,在没有任何深度和位置先验信息输入的情况下,此方法依旧可以在减少计算量的同时保持较高的召回率。具体来说,此方法在以0.7为阈值的3D目标检测上平均精度为44.07%。相比于StereoRCNN,本文方法在平均精度上提高了4.5%。与此同时,此方法的整体运行时间较StereoRCNN缩短了0.09s。

• 基于 FPGA 的三目半全局匹配算法设计与实现

  刘 阳，冯进良，黄 伟，康世勋，马韵琪

  三目立体视觉系统能够克服双目立体视觉系统存在的遮挡等问题,进一步提高立体视觉系统测量精度。然而增加传感器数量会导致匹配算法计算量增大,影响系统实时性,从而限制三目立体视觉系统在各领域的实际应用。为此,本文提出一种三目半全局立体匹配算法及其硬件计算框架。首先,在对三目立体视觉系统基本模型深入分析的基础上,提出一种硬件友好的半全局匹配算法。随后,根据FPGA硬件并行化计算和流水线处理的特点,对片上系统整体框架及各计算模块结构进行设计。最后,基于Zynq-7000SoCFPGA搭建一套完整硬件实验系统进行算法实现,分别使用数据集图像和真实场景图像对本文算法进行评估。实验结果表明,本文算法与传统双目半全局匹配算法相比,有效像素填充率提高17.31%,错误率降低13.06%,在真实场景下可实现60fps实时立体匹配,能够满足各类应用场景的实际需求。

• 基于卷积神经网络的热轧钢条表面实时缺陷检测

  刘艳菊，王秋霁，赵开峰，刘彦忠

  热轧钢条的表面质量对成品至关重要,因此必须要严格控制热轧钢条的表面出现的缺陷。针对当前YOLOv4算法检测精度不高、对小范围信息表现较差等问题,提出一种改进YOLOv4自动检测方法。首先,将YOLOv4中特征提取网络CSPDarknet53换为轻量级深层神经网络MobileNetv3来提高检测速度,并且加强对检测目标特征提取以及减少梯度消失问题。其次,采用K-Means聚类生成适合本实验的先验框,有效提高学习效率,加快收敛速度。最后,对置信度损失进行重新定义,提出一种能够适应多尺度的损失函数,来解决因正负样本不平衡而导致检测效果差的问题。实验结果表明,该方法较原YOLOv4模型在热轧钢条的表面缺陷检测上的均值平均精度值提高约7.94%,速度提升约4.52f/s,在保证检测速度的基础上有效提高了精确度。

• 全局注意力关系网络的小样本船舶识别

  孟 浩，田 洋，孙宇婷，李 涛

  实际场景中采集的船舶目标类别样本数量不均衡,模型训练易导致过拟合。传统迁移学习的数据集划分存在类别交叉,造成未标注新类别识别精度低。为解决上述问题,提出了一种跨目标通用全局注意力机制与关系度量网络融合的小样本船舶识别算法。该方法通过在关系网络中引入全局注意力机制,利用关系网络提取到的原始特征,经过全局注意力机制平滑不均衡类别间的目标特征,并与关系网络提取的原始特征融合后进行特征距离度量。该方法增强了全局特征之间的一致性,有利于学习不变的目标特征,提升少样本少标签的船舶目标识别性能,解决了训练过程中类别不均衡导致的过拟合问题。利用自己采集制作的船舶数据集对本文方法进行测试实验,识别精度提高了5.6%(5-shot)、3.2%(1-shot),减小了不均衡类别对模型目标识别造成的影响,增强了模型的鲁棒性。

• 基于自适应模拟退火及 LM 联合反演算法的 ECT 图像重建

  张立峰，张梦涵

  为解决电容层析成像技术(ECT)中图像重建的非线性和病态性问题,提出了一种自适应模拟退火-LevenbergMarquardt(ASA-LM)联合反演算法。改进了标准模拟退火(SA)算法的新解生成策略、能量函数的定义及退火策略,并结合LM的直接局部搜索方法联合反演ECT图像重建问题。同时,利用Savitzky-Golay(SG)滤波对ECT图像重建所需电容数据进行平滑处理以提高其信噪比。最后,进行仿真及静态实验,并与线性反投影(LBP)、Landweber迭代及标准SA算法进行了比较。结果表明,与其他3种算法相比,ASA-LM算法收敛速度快、图像重建质量明显提高,边缘信息保真度高,重建图像的平均相对误差为0.3311,平均相关系数为0.9331。

• 近红外光在弹状流中的传播特性

  方立德，张真玉，徐潇潇，郭素娜，王 帆

  弹状流是多相流中常见的流型,流动参数相含率的准确测量是分析流动状态、求取混合物平均密度的前提,对石油、化工等领域意义重大。首先根据菲涅耳定律及麦克斯韦方程理论,推导出管道圆弧上近红外光的能量分布特性。设计了一种单发多收的近红外传感器,研究近红外光在弹状流中的传播特性,通过实验证明了管道圆周各个探头接收到的电压值与探头安装角度成余弦关系。根据朗伯-比尔定律推导了近红外光探测器接收到的电压值、近红外光探测器安装角度与相含率之间的关系,建立了弹状流相含率测量模型。实验在内径为50mm的水平透明管道内进行,气体流量在0.5m3/h和2m3/h之间,液相流量在5m3/h和9m3/h之间。研究结果表明:相含率的预测模型的相对误差在±7%之间。

• 基于三轴融合的漏磁内检测数据缺陷反演方法研究

  卢森骧，神祥凯，张俊楠，刘金海，赵可天

  在管道漏磁检测中,缺陷反演是管道故障诊断的核心部分。考虑漏磁信号的复杂性以及管道环境的多变性,常用的缺陷反演方法多采用传感器单轴信息,从而导致缺陷反演面临缺陷估计尺寸精度低、模型通用性差的问题,难以满足实际应用需求。本文提出基于三轴融合的漏磁内检测数据缺陷反演算法,显著提高漏磁缺陷反演精度。该方法主要由两部分组成,首先,利用提出的加权随机森林算法分别实现单轴信号的缺陷反演;其次,通过本文设计的模糊推理系统实现三轴反演结果决策融合,进而得到精确的缺陷估计尺寸。最后,通过仿真数据与实际管道数据实现该方法的评估。实验结果表明,该方法缺陷反演的长度精度提升23%,宽度精度提升13%,深度精度提升14.7%,具有较好的实验效果。

• 一种双倾斜式全驱动六旋翼无人机的建模与控制

  陈 钢，宋光明，郝 爽，顾 玥，宋爱国

  常规旋翼无人机大都采用共线设计,只能产生竖直方向的推力,极大地限制了旋翼无人机在涉及物理交互任务时的应用。针对此问题,研究了一种双倾斜式全驱动六旋翼无人机,采用旋翼转轴非共线的设计方法,可以实现位置与姿态的独立控制。提出了一种抑制抖振的改进型积分滑模控制器,并与PID控制器、积分反演控制器和传统积分滑模控制器进行对比。仿真结果表明,所提出的改进型积分滑模控制器能够实现旋翼无人机位置与姿态的独立控制,并能够有效克服自身模型参数的不确定性以及外部的风场扰动完成定点悬停与复杂的轨迹跟踪。实物样机实验结果表明,该设计的全驱动旋翼无人机在长距离横向运动时能够保持水平姿态,俯仰角和滚转角误差控制在±2°以内。

• 基于模糊切换增益调节的惯性稳定平台滑模控制

  周向阳，舒通通，吕子豪，孙步早

  为了实现航空遥感惯性稳定平台在复杂多源扰动环境下的高精度控制,提出基于模糊滑模的惯性稳定平台高精度控制方法,通过对总和扰动抑制实现对多源扰动抑制,从而提高稳定平台控制精度。首先将惯性稳定平台的所有扰动视为整体,基于滑模等效控制设计惯性稳定平台的全局快速终端滑模控制器,实现系统状态快速、精确地收敛到平衡状态并且不离开滑模面。其次,针对控制系统存在鲁棒性与抖振问题无法兼顾的问题,在滑模控制基础上融合模糊切换增益调节,设计模糊规则对惯性稳定平台滑模控制中的切换增益进行实时调节,从而利用切换增益消除干扰项。最后,对所提出方法的正确性进行仿真以及实验验证。结果表明,基于模糊切换增益调节的滑模控制方法扰动抑制能力强、稳定精度高,相对于PID控制和全局快速终端滑模控制,稳定精度分别提高32.7%和15.3%。